干货·改善碳纤维浸润性的N种方法

本文摘要：（由ai生成）碳纤维复合材料因其优越性能被广泛应用，但废弃物处理难。目前，回收方法主要有物理回收、化学回收和能量回收。物理回收简单成本低，适用于纯净废弃物；化学回收通过分解回收高价值碳纤维，包括流化床和热裂解等工艺；能量回收则关注废弃物的能源化利用。这些方法旨在实现碳纤维复合材料的资源化回收利用。01回收的意义 碳纤维（Carbon Fiber，CF）是一种由碳元素组成的黑色特种无机高分子纤维，其分子结构界于石墨与金刚石之间，含碳量≥90%。它具有一般碳素材料导热、导电、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等特性，同时，还具有极好的纤度、良好的织物编织性、显著的各向异性、极高的轴向强度和模量等。其主要用途是增强树脂、金属、陶瓷、水泥等基体材料后制成先进结构材料、功能材料，被广泛用于各行各业。因此，碳纤维及其复合材料的出现，是继木材、金属之后，世界材料史上的又一次革命，近来更被称为“21 世纪的黑色革命者”。因此，近年来有关碳纤维的应用研究的发展十分迅速，在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。随着高性能、低成本的增强材料，功能性、强韧性和工艺优异的基体材料的研发和应用，材料、结构一体化设计理念的逐步深入，我国复合材料制造技术不断进步，工艺水平不断提升，复合材料行业开始向高、精、尖方向不断发展。根据中国产业信息网引用的国家统计局数据显示，我国复合材料总产量由2010 年的 329 万吨上升为 2014 年的 433 万吨。 随着复合材料应用及年产量的递增，也带来了大量的复合材料废弃物，特别是碳纤维复合材料的强度高、模量高及耐腐蚀性能好等特性导致废弃物的处理和利用难度较大，碳纤维复合材料废弃物对环境的污染已引起广泛关注。针对碳纤维复合材料废弃物的回收难问题，国内外出台相关法律、法规引导开展热固性碳纤维复合材料的回收再利用研究，实现废弃物的资源化回收利用。因此，碳纤维复合材料的回收和利用技术已成为国际上的研究热点。 02三种回收方法 目前国内外碳纤维复合材料废弃物的方法主要包括化学回收、能量回收和物理回收的三种方式。物理回收 物理回收是指将碳纤维复合材料废弃物经过破碎、去除金属后，再将废弃物粉碎成不同粒度的粉末，并将粉末作为原材料使用的一种方法。在废弃物比较纯净时，通常使用本方式。本方法是目前国内采用最普遍的一种方法，其处理方法较简单、生产成本也比较低。日本秩父小野田公司将碳纤维增强树脂复合材料废弃物经物理处理后，作为水泥的原料，测试表明:制得的水泥抗折强度、凝胶时间与普通水泥基本无区别。化学回收 化学回收是指碳纤维复合材料废弃物在首先经过粉碎后，以化学方式将粉末分解成能够回收利用的燃料及副产物的一种方式。因碳纤维本身价值较高，对其回收，成本会低于碳纤维的再造成本。一般来说，化学回收方法主要是回收废弃物中价值较高的碳纤维。化学回收法根据回收技术和设备的不同分为三种:流化床回收工艺、热裂解回收工艺及超临界流体回收工艺。 流化床回收工艺流化床回收工艺是指在流化床反应器内部，使用空气作为流化气体，在某种温度下，使碳纤维和树脂分离的方法。本工艺为英国诺丁汉大学研发并推广.Jiang 研究了温度为500 ℃、流化时间10 min、流化速率 1 m/s 时得到回收碳纤维的表面特征，经分析表明，经处理后，原始碳纤维表面的羟基(－OH)转变为氧化程度更高的羧基(－COOH)和羰基(－C = O)，而表面的氧/碳值未发生变化，并且碳纤维表面化学组成的变化对回收碳纤维于环氧树脂的界面剪切强度影响不大。Yip等研究了流化温450 ℃，流化速率为 1 m/s 时回收碳纤维的力学性能，回收碳纤维长度在5．9 ～9．5 mm 之间。结果表明，回收的碳纤维拉伸强度约为原始碳纤维的 75%左右，而拉伸模量基本上未变化。 热裂解回收工艺热裂解回收工艺又称为高温分解法，本工艺为在无氧情况下，通过高温(不燃烧，在此温度时，不致引起碳纤维、填料等产生化学反应)，将碳纤维复合材料中的树脂分解，来实现对碳纤维或其它材料的回收。该工艺是将预处理后的复合材料放入裂解反应器，在400 ～500 ℃温度下，树脂被裂解，形成积碳(树脂裂解产生)存留于碳纤维表面的中间产物，将中间产物置于氧化反应器以除去积炭从而得到碳纤维丝束。 超临界流体回收工艺超临界流体(流体的温度和压力均超过其固有临界温度和压力时所处的特殊状态)具有类似气体的黏度和扩散系数，类似液体的密度和溶解能力，因此，在一定条件下，超临界流体可渗入多孔固体材料和溶解有机材料。超临界流体超强的溶解能力可将复合材料废弃物中的树脂分解，并得到较为干净的碳纤维，可很好的保留碳纤维的性能。英国诺丁汉大学的 Pickering 研究团队研究了在超临界状态下，二氧化碳、水、丙酮、甲醇、乙醇和丙醇等溶剂对碳纤维增强树脂复合材料的溶解情况。研究表明，超临界丙醇对树脂的溶解作用最佳，其回收的碳纤维拉伸强度和拉伸模量为原始碳纤维的 99%。哈尔滨工业大学的白永平等研究了在超临界水中添加氧气，可极大的提升分解速度，并且回收得到的碳纤维拉伸强度几乎未降低。 能量回收 能量回收是指将碳纤维增强树脂复合材料废弃物通过有控制的焚烧法进行能量回收，回收的能量可转变为电或热，可作为燃料替换煤或区域暖气加热等。该方法是复合材料回收最简单的一种方法。对于尺寸较大的结构件，焚烧前应首先进行分解、切割、撕碎等工序。鉴于焚烧过程易释放有毒气体及浓烟污染大气的问题，需设计高性能的焚烧炉来解决这一问题。本方法应作为碳纤维复合材料废弃物的最终处理法，用来处理其它方法难以处理的废弃物。 03总结 总体来说，物理回收及能量回收并不能高效回收碳纤维，其仅适用于未被污染的复合材料，并且再生产品的使用价值也比较低;能量回收则会带来环境污染、资源浪费等问题。化学回收是一个非常有潜力的研究应用方向。 因此，对碳纤维复合材料的高效回收利用技术的研究具有重大的经济效益，不仅可以实现高价值材料的再利用，而且碳纤维复合材料部件回收和再利用可大大减少能源消耗和环境污染，对于复合材料产业的发展具有十分重要的作用。 04 参考文献[1]马全胜,王宝铭.碳纤维复合材料回收及利用现状[J].纤维材料, 2016,33(04):28-30+27.[2]先希.上海交大开发出“碳纤维复合材料废弃物回收”技术[J].人造纤维,. 2016,46(02):40 [3]李建峰.碳纤维复合材料回收与再利用研究现状[J].科技与企业, 2016(06):231+233. 来源：高分子材料成型原理特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展，本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关，特此声明。 来源：碳纤维生产技术